解釋光電效應

在科學領域，一個好的問題甚至能夠推動整個學科的發(fā)展！

說到這，就不得不提及這樣一個神奇的問題：

光到底是什么？

這一問題可以說貫穿了整個現代物理學的發(fā)展，甚至還引發(fā)了一輪又一輪頂級科學家之間的集體撕逼大戰(zhàn)！

光的微粒說和波動說

既然是大戰(zhàn)，首先得有兩個陣營！

早期，很多人認為，光是一種非常細小的粒子流，這就是光的“微粒說”。

后來，人們逐漸認識到，聲音是一種波。于是，漸漸有一部分人認為，光也有可能是一種類似聲波的東西，這就是光的“波動說”。

不過，在科學尚處于萌芽的年代，無論是“微粒說”還是“波動說”，都有著很大的局限性，雙方的武裝都是十分薄弱的。

第一次波粒大戰(zhàn)

直到十七世紀中期的到來！

首先登場的是波動說大將胡克！

沒錯，就是胡克定律（F=-k△x）的那個胡克。

他于1665年出版的《顯微術》一書中明確支持波動說，該書影響巨大，波動說一時占據了上風。

25年后，另一位波動說巨頭惠更斯在其著作《光論》中，提出了著名的惠更斯原理，更是將波動說上升到了科學理論的高度。

惠更斯原理

球形波面上的每一點（面源）都是一個次級球面波的子波源，子波的波速與頻率等于初級波的波速和頻率，此后每一時刻的子波波面的包絡就是該時刻總的波動的波面。

惠更斯原理在光學領域一路攻城略地，很好地解釋了光的直線傳播、反射、折射以及晶體的雙折射等現象，將波動說的興盛推向了頂點。

可惜，這一切注定只能是曇花一現。

因為有人向波動說出招了。

這個人就是歷史上的科學巨人牛頓。

牛頓是微粒說的堅定擁護者。

1704年，牛頓出版了自己的巨著《光學》，利用自己的天才數學能力，他以微粒說為基礎，時不時還從波動說那里吸取功力作為己用，解釋了光的很多現象。

相反，波動說領袖胡克與惠更斯已經離世，波動說群龍無首。再加上此時的牛頓，已經是出版了《數學原理》的牛頓，所有人都在他的力學體系下頂禮膜拜，無人敢質疑牛頓的才華與權威。

終于，波動說被打得節(jié)節(jié)敗退。

在牛頓光環(huán)的籠罩下，微粒說一時風頭無倆，足足統(tǒng)治了人類100年。

第一次波粒大戰(zhàn)，以波動說的失敗而告終！

第二次波粒大戰(zhàn)

科學界最不缺的，就是一些反叛的人。

這種人最讓人討厭的地方，就是總喜歡拿那些最深入人心的理論開刀，還義正言辭地告訴全世界

托馬斯·楊無疑就是這種人。

時間轉眼來到了19世紀初。

天才牛頓早已去世幾十年，于是，一些波動說的不安定分子開始了自己的反攻。

托馬斯?楊設計出了既精妙又簡單的雙縫干涉實驗，發(fā)現了光在通過雙縫后出現了明暗相間的條紋，這是典型的波的性質。

雙縫干涉實驗—歷史上十大經典物理實驗之一

他還在自己的論文中大言道：“盡管我仰慕牛頓的大名，但是我并不因此而認為他是萬無一失的。我遺憾地看到，他也會弄錯，而他的權威有時甚至可能阻礙科學的進步?！?/p>

然而，他的論文無處發(fā)表，只好印成小冊子，據說發(fā)行后只賣出了一本。

盡管如此，雙縫干涉實驗的明暗條紋最終還是驚動了整個微粒說軍團。微粒說大軍還發(fā)現，雙縫干涉實驗證據確鑿，用自己的微粒說實在難以反駁。

反之，波的疊加理論卻能夠輕易預言明暗條紋出現的原因及其位置！

微粒大軍坐不住了。

他們決定背水一戰(zhàn)，發(fā)動全社會的力量來挽救自己的權威。1819年，法國科學院組織了一個懸賞征文大賽，題目就是利用精密的實驗確定光的衍射效應以及推導光線通過物體附近時的運動情況。

其實，這一題目的真正目的，是微粒說大軍希望借助社會力量，利用微粒說來解釋光的干涉與衍射現象，打擊波動說理論。

誰知道，正是這一次競賽，徹底宣告了微粒說的失??！

因為出現了一個人。

這個人叫菲涅爾。

此前的菲涅爾，只不過是一個默默無聞的工程師，趁著這次競賽，他向競賽組委會提交了一篇論文，名字叫做《關于偏振光線的相互作用》。

在這一論文里，菲涅耳革命性地認為光是一種橫波，而非之前認為的光是一種縱波。以此為出發(fā)點，菲涅爾嚴格證明了光的衍射問題，還解決了長期困擾波動說的一些其他問題。

不過，組委會評委泊松不相信這一點。

他對菲涅爾說：“我看了你的理論，并做了一下計算，我發(fā)現你的理論會得出這樣一個荒謬的結論，就是你的理論被應用于圓盤衍射的時候，在陰影中間會出現一個亮斑，這怎么可能呢？”

菲涅爾退縮了。

但是同樣身為評委之一的阿拉果卻堅持道：“這還不簡單嗎，我們做個實驗驗證一下不就行了?！?/p>

結果，實驗表明，還真的有一個亮點奇跡般出現在了圓盤陰影正中心，完全符合泊松的預言。

身為微粒說擁護者的泊松，反而幫了波動說的一個大忙。

為了紀念這一戲劇性的事件，后人便將這一亮斑稱為泊松亮斑。

泊松亮斑

以光的干涉和衍射作為武器，波動說終于迎來了自己的春天，第二次波粒大戰(zhàn)，以微粒說的失敗而告終！

后來，可以比肩牛頓的天才物理學家麥克斯韋橫空出世，統(tǒng)一了整個電磁學王國，提出了令所有科學家心醉的麥克斯韋方程組，并指出光只是電磁波的一種。

1887年，赫茲更是用實驗證明了“電磁波”的存在，并精確計算出電磁波的速度等于30萬公里/秒，與麥克斯韋的理論完全符合。

背靠電磁學理論這棵參天巨樹，波動說的地位似乎已經無人能夠撼動！

誰曾想，正所謂成也蕭何，敗也蕭何！

第三次波粒大戰(zhàn)

赫茲在證明麥克斯韋電磁學理論的實驗中還發(fā)現，光照射到金屬上，能夠打出金屬表面的電子，這就是光電效應。

光電效應

意外的是，高貴典雅的電磁學理論，竟會在解釋光電效應的問題上碰壁。

這時候，愛因斯坦登上了歷史舞臺。

他認為，要解釋光電效應，必須認為光是由數目有限的“光子”組成，它們不可分割，只能整份地被吸收或發(fā)射。

什么？這不就是翻版后的微粒說嗎！只不過是把牛頓的小球換成了光子而已。

沉寂了將近100年的微粒說，如幽靈一般，竟又以此種方式回歸了！

1923年，康普頓又發(fā)現，用X射線照射物體時，一部分散射出來的X射線的波長會變長，這一現象被稱為“康普頓效應”。

同光電效應一樣，康普頓效應也無法用經典電磁學理論來解釋，只有借助于愛因斯坦的光子理論，從光子與電子碰撞的角度才能夠圓滿解釋實驗現象。

這時候，波動說大軍發(fā)現，與他們對峙的微粒說大軍，在武器裝備方面竟已經與自己平分秋色。

第三次波粒大戰(zhàn)全面爆發(fā)。

本來，微粒說的戰(zhàn)地主要是光電效應和康普頓效應，而波動說的戰(zhàn)地則在光的干涉與衍射，一旦跨入對方的領域，只會讓自己碰得灰頭土臉，雙方都無法越過對方的防線一步。

可是后來，德布羅意提出了著名的“物質波”概念，認為一切物質都具有波動性，而且G.P.湯姆遜還真在實驗中得到了電子的衍射圖案，驗證了德布羅意的觀點。

電子居然也是個波！一切物質都是個波！

終于，第三次波粒大戰(zhàn)全面升級，成為了一場關系整個物理學領域的世界大戰(zhàn)！直到1927年，海森堡提出了震驚世界的“不確定性原理”，即你不可能同時知道一個粒子的位置和速度。

看到不確定性原理的那一刻，玻爾終于明白，原來無論是光子還是電子，甚至是其他的一切，它們既是粒子，同時也是個波！我們對一個粒子的屬性了解越多，對波的屬性了解就越少，反之亦然，這就是不確定性原理背后的思想。

持續(xù)數百年的爭論，終于塵埃落定！

原來，無論是微粒說還是波動說，都只是光本質的一部分，只有二者的有機融合，才能組成有血有肉的光。

光具有波粒二象性，一切物質都具有波粒二象性！

這就是三輪波粒大戰(zhàn)的最終結局！

總結

三次波粒大戰(zhàn)，持續(xù)時間之長，波及范圍之廣，影響程度之深，在整個物理史上是十分罕見的！

下面的表格整理了三次波粒大戰(zhàn)的內容與結局（其中的紅色文字表明該觀點是錯誤的）。

審核編輯：劉清